三維視野下的古建筑室內(nèi)外點云配準及建模方法探究

崔曉磊 楊曉波 李登科

摘要：我國古代建筑文化遺產(chǎn)有著悠久的歷史、豐富的內(nèi)涵和矚目的成就，為防止自然災害和現(xiàn)代化進程的破壞，數(shù)字化保護是古建筑保護和修復的好辦法。以咸陽鐘樓的數(shù)字化過程作為案例，利用三維激光掃描儀對其進行實體掃描，通過去噪、配準、切割等方法得到鐘樓完整的室內(nèi)外三維點云，獲得其完整準確的的三維數(shù)據(jù)信息，并在此基礎(chǔ)上進行三維建模和貼圖，探索了古建筑室內(nèi)外三維數(shù)據(jù)收集和三維建模數(shù)字化保護方法，為古建筑數(shù)據(jù)留存、保護、修復及展示提供了一些借鑒。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；古建筑；點云配準；三維模型

中圖分類號：TP319文獻標志碼：A

基金項目：西藏民大教學團隊項目“數(shù)字媒體設(shè)計與創(chuàng)新教學團隊”；西藏高校教改項目“數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)特色實踐教學體系構(gòu)建研究”。

0引言

古建筑是欣賞一個國家傳統(tǒng)文化魅力的窗口，是探索一個國家古代科學技術(shù)成就的重要渠道。我國古代建筑文化遺產(chǎn)有著悠久的歷史、豐富的內(nèi)涵和矚目的成就，但因大多數(shù)已經(jīng)歷上百上千年自然災害的侵害，加之現(xiàn)代化城市建設(shè)的發(fā)展使得現(xiàn)存很多古建筑的保存情況令人擔憂，古建筑的保護工作便顯得尤為重要。

如何避免巴黎圣母院事件再次發(fā)生，以及在災難和事故發(fā)生后如何將對古建筑文物造成的損失降到最小，科技的發(fā)展使人們將目光投向了數(shù)字化技術(shù)。過去人工測量繪制記錄的傳統(tǒng)修復方法不僅完成精度低，且過程耗時費力，更可能會因為過度接觸而造成古建筑“二次傷害”。而作為測繪領(lǐng)域的新技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有速度快、精度高、非接觸等特點，通過發(fā)射激光即可快速獲取建筑物體的三維數(shù)據(jù)，在古建筑數(shù)字化保護方面具有極大的優(yōu)越性。出于對古建筑的保護的立足點，本論述以鐘樓建筑為案例，利用三維激光掃描技術(shù)，精確記錄其建筑的三維數(shù)字信息，并通過掃描生成的三維點云數(shù)據(jù)與現(xiàn)場拍攝的照片，為鐘樓建筑全景及內(nèi)外部結(jié)構(gòu)建立了三維模型，為古建筑數(shù)據(jù)留存、保護、修復及展示提供了一種可行性方案。

1技術(shù)原理及數(shù)字化流程

三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復制技術(shù)”，它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢，通過高速激光掃描測量的方法得到三維點云。原理為三維激光掃描儀發(fā)射激光經(jīng)由自然物表面反射進行測距，配合掃描的水平和垂直方向角，得到每個掃描點的三維坐標，快速建立物體的三維影像模型。

而利用三維激光掃描技術(shù)進行古建筑三維數(shù)字化主要包括：圖像點云數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理、三維模型創(chuàng)建三大流程。其中建筑點云數(shù)據(jù)通過Trimble TX5三維激光掃描儀進行掃描采集，之后通過與之配套的Trimble RealWorks軟件對數(shù)據(jù)進行處理，再通過3ds Max、SketchUp等建模軟件對古建進行三維構(gòu)建，最后進行貼圖完成古建筑三維模型，技術(shù)流程如圖1所示。

2點云數(shù)據(jù)獲取及處理

2.1點云數(shù)據(jù)獲取

咸陽鐘樓始建于明萬歷年間，清道光中期重修，三層主體，下方有通道，基座四門，重檐二層。類似于鐘樓的古建筑大多建設(shè)年代久遠，多為木制所建，經(jīng)過多年風吹雨淋，多處墻體和房屋斑駁損落。本次建筑的三維數(shù)據(jù)掃描采用Trimble TX5三維激光掃描儀，它以976 000 dpi/s和最佳120 m的測程進行測量，系統(tǒng)集成，通過千百萬次測量可得到七千萬像素照片級精細三維彩色點云影像。同時搭配數(shù)碼相機對咸陽鐘樓各個角度進行拍攝，后期用來對模型進行紋理貼圖。

按照建筑空間尺寸規(guī)劃架設(shè)測站，通過多站掃描來實現(xiàn)對歷史建筑的全方位數(shù)據(jù)采集，共設(shè)置十五個測站形成閉合環(huán)型控制網(wǎng)，分為室內(nèi)測站和室外測站兩部分，且每相鄰兩測站間保證不低于10%的掃描重合度，但掃描站點注意不能過近，否則點云太密數(shù)據(jù)過大，同時也會增加掃描站數(shù)拖長外業(yè)操作時間，根據(jù)Trimble TX5三維激光掃描儀在無遮擋情況下有效距離 120 m內(nèi)，保證站與站在有效重疊率情況下合理架站，具體測站布設(shè)如圖2所示。同時由于該建筑是旅游觀賞對象，故掃描時間應(yīng)選擇在游客密度相對較少，遮擋相對小的時候進行。

2.2點云數(shù)據(jù)處理

在對建筑三維數(shù)字化時，使用點云數(shù)據(jù)可真實地表現(xiàn)建筑的空間坐標、外部及內(nèi)部具體形體特征，但三維激光掃描多站式的掃描方式使得每一站的數(shù)據(jù)都有自己獨立的坐標系統(tǒng)，因此還需要對數(shù)據(jù)進行處理。利用Trimble RealWorks軟件對點云數(shù)據(jù)進行預處理，完成數(shù)據(jù)的導入、配準、整體切割等過程。

點云配準是指將多站數(shù)據(jù)拼接，建立統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)這一過程。作為三維建模前的基礎(chǔ)工作，點云的配準精確度決定了三維重建的坐標系和尺度精度。通過Trimble RealWorks軟件利用兩側(cè)站的公共靶點（即兩個測站在重疊區(qū)域）對目標進行配準，本次掃描測站數(shù)共計十五個，若想得到全方位的整體點云，就必須將十五站有相當重疊度點云數(shù)據(jù)進行配準成一個整體。

配準的前提是要將點云數(shù)據(jù)導入與掃描儀配套的軟件Trimble RealWorks軟件中，按照掃描測站順序?qū)⒍嗾緮?shù)據(jù)導入。未配準前站點散亂，空間坐標系并未統(tǒng)一。將數(shù)據(jù)導入軟件后，選擇“基于點云的配準模式”，每連續(xù)相隔兩站作為配準對象，在兩測站中選擇3對對應(yīng)的公共靶點，并加以公共點、公共面為約束條件，系統(tǒng)將根據(jù)所選擇公共靶點自動識別完成點云配準，最終將站間配準精度控制在4 mm以內(nèi)，點云拼接結(jié)果如圖3所示。

2.3古建筑點云數(shù)據(jù)的室內(nèi)外配準

建筑模型構(gòu)建大多為室內(nèi)和室外兩部分整體獨立建模，這種情況下室內(nèi)模型在位置、坐標上不容易和室外整體建筑對應(yīng)，這樣的建筑模型并不是一個整體完整的模型，特別是對室內(nèi)的三維點云數(shù)據(jù)造成了極大的浪費，將室內(nèi)外點云配準后可加以應(yīng)用。

在本次布設(shè)測站階段時，已將室內(nèi)和室外一起設(shè)站。為了方便后期室內(nèi)外點云配準，要為室內(nèi)外設(shè)置好能夠掃描的共同靶點，門窗作為連接室內(nèi)外的區(qū)域通?？勺鳛楣餐陌悬c選擇。同室外點云配準一樣，室內(nèi)外數(shù)據(jù)配準時，要將2個測站的重疊點云配準成一個整體數(shù)據(jù)。選擇室內(nèi)和室外兩站點云作為配準對象，選擇“基于點云的配準模式”，選擇門窗部區(qū)域作為配準靶點，并把門窗外同一欄桿加為約束條件，完成點云配準，如圖4所示。兩站配準后俯視圖、正視圖、側(cè)視圖如圖5所示，室內(nèi)外兩站點云樓頂對角線橫梁配準后在一條直線上，說明配準完成且準確。

2.4點云整體切割

在點云數(shù)據(jù)采集階段，由于三維激光掃描儀范圍大，將咸陽鐘樓建筑廣場上的游客、樹木花草，以及周圍商鋪建筑整體掃描，導致點云數(shù)據(jù)過大，且多是無用冗余數(shù)據(jù)。這需要對點云進行整體切割，只切割留下鐘樓為本身的正方體點云，導出后以方便后期模型的制作。

3三維模型創(chuàng)建

三維模型的創(chuàng)建常用的有兩種方式，一種是根據(jù)點云數(shù)據(jù)繪制出二維圖紙，再根據(jù)圖紙信息進行建模，這種方式利用是將點云數(shù)據(jù)信息導入CAD中，再從CAD的繪圖功能中提取出相關(guān)的建筑特征線，進而得到古建的三維建模；另一種是直接根據(jù)點云數(shù)據(jù)信息建立三維模型，將點云數(shù)據(jù)直接導入建模軟件，再由建模軟件直接建模，建模軟件可利用3dsMax、Sketch Up等。根據(jù)鐘樓建筑的特點，建筑結(jié)構(gòu)較為簡單，且點云數(shù)據(jù)掃描處理十分精細，故本次采用第二種三維建模方法。

首先通過Trimble RealWorks、AUTODESK RECAP軟件對點云數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換。使其能夠?qū)氲浇＼浖?。將點云數(shù)據(jù)由“asc”格式通過索引掃描、啟動項目等步驟經(jīng)過“xyz”格式逐步導出為“rcs”、“rcp”格式。將處理完成后的數(shù)據(jù)導入3ds Max軟件，根據(jù)計算機圖形處理能力和個人需要選擇顯示的點云數(shù)，點云數(shù)顯示越多則點云對象越清晰。

然后根據(jù)所導入點云數(shù)據(jù)制作三維模型。導入的點云數(shù)據(jù)已經(jīng)給出了相應(yīng)的位置和比例尺信息，在3ds Max軟件中按照點云輪廓制作古建筑模型，就不會出現(xiàn)比例尺、坐標不統(tǒng)一的情況，模型構(gòu)建如圖6所示。對三維模型進行紋理貼圖。為了使構(gòu)建的古建筑三維模型具有真實感，需要給古建筑模型面片進行紋理貼圖，將所拍攝的照片貼圖在完成的模型上，同時可以通過圖像處理軟件Photoshop中對貼圖圖片處理修改，使模型表現(xiàn)效果更真實。

4結(jié)語

我國古代建筑文化遺產(chǎn)在多種因素威脅下，其保存現(xiàn)狀令人擔憂，古建筑的展示、修復、保護的數(shù)字化工作極其重要。三維激光掃描技術(shù)憑借著速度快、精度高、不需接觸目標的優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛用于古建筑保護、修復等方面。本論述以Trimble TX5掃描儀為依托，以掃描咸陽鐘樓建筑為案例，通過對點云數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、配準、分割等處理，提供了一種精確高效的古建筑的室內(nèi)外點云配準和三維模型構(gòu)建方案，為古建筑三維數(shù)字化提供了一種難度小、要求低、速度快的實現(xiàn)方法。

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